KR100240534B1 - 유도성 및 용량성 커플링이 조합된 고밀도 플라즈마 cvd 반응로 작동방법 - Google Patents

유도성 및 용량성 커플링이 조합된 고밀도 플라즈마 cvd 반응로 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에칭가스를 가스 주입구를 통해 챔버로 도입할 동안 챔버에 진공을 생성시키고, 진공 챔버에서 주로 용량성 커플링된 플라즈마를 생성하기 위해서, 코일 안테나는 RF 에너지를 인가하지 않으면서 챔버내의 천장전극에 RF 에너지를 인가하여 플라즈마 반응로를 정화하는 방법으로 실현된다. 다른 태양에서 상기 방법은, 반응로를 유도성 커플링 모드에서 작동시키고자 할 경우에는, 천장전극이 접지될 동안 반응로의 코일 안테나에 RF 전력을 인가하고, 반응로를 용량성 커플링 모드에서 작동시키고자 할 경우에는, 천장전극에 RF 전력을 인가하고, 반응로를 정화시키고자 할 경우에는 에칭 가스가 진공챔버로 도입될 동안 천장전극 및 코일 안테나에 RF 전력을 인가함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서 상기 방법은, 천장전극이 접지될 동안 코일 안테나에 RF 전력을 인가함으로써 유도성 커플링된 플라즈마를 유지하는 동안 챔버내로 증착물 선구가스를 도입함으로써 웨이퍼 상에서 화학증착을 수행하고, 천장전극에 RF 전력을 인가함으로써 챔버에 용량상 커플링된 플라즈마를 유지하는 동안 챔버로 선구 정화가스를 도입함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함한다.

Description

유도성 및 용량성 커플링이 조합된 고밀도 플라즈마 CVD 반응로 작동방법
제1도는 본 발명을 구현하는 플라즈마 반응로의 개략적인 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 진공펌프 12a : 펄프밸브
14 : 주입노즐 16 : 가스공급 링 매니폴드
18 : 금속 하우징 20 : 천장
44 : 웨이퍼 받침대 44a : 유전체 환상부
45 : 반도체 웨이퍼 46 : 스커트(skirt)
56 : 뚜껑 58 : 냉각 재킷
60 : 저항성 가열기
본 발명은 챔버 정화(cleaning) 공정을 위해 개별적으로 선택되거나 또는 조합 상태로 될 수 있는 유도성 및 용량성 커플링(coupling) 모드를 가지는 고밀도 플라즈마 CVD 반응로 작동방법에 관한 것이다.
화학증착(CVD), 에칭, 반응이온 에칭 등의 반도체 처리를 위해 사용되는 플라즈마 반응로에는 플라즈마를 생성(strike) 및 유지하기 위하여 유도성 커플링 또는 용량성 커플링이 전형적으로 사용된다.
전형적으로, 에칭 반응로는 용량성 커플링된 플라즈마의 고이온 에너지 특성은 예를 들면, 실리콘 이산화물 같은 필름을 제거하는데 적당하기 때문에 용량성 커플링을 사용한다. 고이온 에너지는 용량성 커플링된 플라즈마를 생성시키기 위하여 요구되는 높은 전기장에 의해 발생한다. 예를 들면, 1993년 7월 28일에 공개된 "플라즈마 에칭처리"라는 명칭의 콜린스 등에 의한 유럽특허 출원 공개번호 제 0 552 491 A1 호에서 개시된 것처럼, 받침대를 포함하는 용량성 커플링된 반응로는 병렬 전극을 가진다.
그러나, 용량성 커플링된 플라즈마의 플라즈마 밀도는 저압에서 화학증착(CVD) 및 스퍼터링(sputtering)을 동시에 수행하기에는 충분하지 않다. 따라서, 페어베른 및 노워크에 의해 1993년 8월 27일에 출원된 "고밀도 플라즈마 CVD 및 에칭 반응로"란 명칭의 미합중국 특허출원 제 08/113,776 호에 개시된 유형의 CVD 플라즈마 반응로는 플라즈마를 생성하고 유지하기 위하여 유도성 커플링을 사용한다. 페어베른 및 노워크의 특허원에서, 반구형 모양의 챔버 천장중의 반구형 모양의 나선형 코일은 낮은 챔버압(100 밀리토르 미만)에서 플라즈마에 대하여 유도성 커플링을 수행하고, 반구형 모양은 반도체 웨이퍼(wafer)에 보다 균일한 이온 밀도 분포를 제공한다. 그러한 유도성 커플링된 플라즈마는 고이온 밀도를 특징으로 하며, 따라서 높은 처리(예를 들면, 증착) 속도에서의 저압 CVD 플라즈마 처리에 적당하다.
용량성 커플링된 플라즈마와 유도성 커플링된 플라즈마의 주요 차이점은 아래와 같다 : 유도성 커플링된 플라즈마는 2자리수 이상까지 차이나게 큰 플라즈마 밀도를 가짐으로써 더 높은 처리율을 제공한다. 용량성 커플링된 플라즈마는 더 높은 전극시트 전압, 더 높은 자기 바이어스(self-bias) 및 플라즈마 임피던스(impedance)를 가짐으로써, 더 높은 스퍼터링 비율 및 더 큰 웨이퍼 손상 위험성을 제공한다. 유도성 커플링된 플라즈마는 더 낮은 이온 에너지 분포를 나타내어, 웨이퍼에 대한 손상 위험성이 낮다.
모든 플라즈마 반응로, 특히 플라즈마 CVD 반응로의 요건은, 증착물 및 잔류물을 제거하기 위하여 주기적으로 정화되어야 한다는 것이다. 예를 들면, CVD 반응로에서, 반도체 웨이퍼상에 실리콘 이산화물을 증착할 동안, 실리콘 이 상화물은 반응로 챔버의 벽 및 천장 뿐만 아니라 다른 부품들에 증착되어 챔버의 특징을 변화시키고 미립자 오염을 일으킨다. 그러므로, 반응로 챔버는 모든 그러한 증착물 및 잔류물을 제거하기 위하여 주기적으로 정화되어야 한다. 실리콘 이산화물 증착물의 제거는 챔버에 (예를 들어) NF3같은 플루오라이드-포함 에칭 가스를 도입하고 챔버 정화공정을 수행하기 위하여 플라즈마를 생성함으로써 이루어진다.
유도성 커플링된 플라즈마 반응로의 하나의 한계는 이들이 더 큰 용적, 낮은 작동압력, 비도전성 천장 및 챔버 벽 표면의 바이어스 부족 때문에 챔버 정화공정을 수행하는데 더 많은 시간이 필요하다는 것이다. 실리콘 이산화물 같은 특정 잔류물은 전형적으로 낮은 이온 에너지에서 상대적으로 낮은 에칭 비율을 가지므로 유도성 커플링된 플라즈마에 의해 제거하는 것은 어려울 수 있다.
그런 챔버 정화공정이 갖는 한가지 문제점은 반응로 챔버내의 다양한 표면이 챔버내 위치 차이 및 물질 차이 때문에 같은 비율로 정화(에칭)되지 않는 것이다. 플라즈마 밀도 및 이온 에너지는 챔버내의 모든 위치에서 동일하지는 않으므로, 정화(에칭) 비율의 차이는 꽤 전형적이다. 게다가, 웨이퍼 처리과정(CVD 처리 같은) 동안, 증착물은 다른 곳보다 특히 챔버 표면상에 보다 두껍게 증착되므로, 증착물 또는 잔류물 두께는 챔버 내부 전체에 걸쳐 균일하지 않다. 예를 들어, 상기에서 참조된 콜린스 등의 유럽출원에서의 에칭 반응로에서, 에칭 처리 잔류물은 플라즈마 밀도가 균일하지 않기 때문에 천장의 가장자리 보다 천장의 중앙에서 훨씬 더 두껍다.
결과적으로, 일부 금속 표면은 다른 과정전에 잔류물 또는 증착물이 완전히 정화되고, 정화된 금속 표면(예를 들면, 알루미늄)은 여전히 정화되지 않은 표면으로부터 남아있는 오염물질이 제거될 동안 에칭된다. 예를 들면, 콜린즈 등에 의한 유럽 특허원에서의 편평한 천장 전극의 경우, 천장 전극의 가장자리가 빠르게 정화되는 동안 중앙부분에는 여전히 두꺼운 잔류물 피막이 남아 있다. 전극 가장자리의 노출된 금속 표면은 여전히 정화되지 않은 중앙 부분으로부터 RF 에너지는 분로화(shunt)함으로써 중앙부분이 더 이상 정화되지 못하게 한다. 만약 NF3같은 플루오라이드 가스를 사용하여 챔버를 정화한다면, 금속 표면은 다양한 알루미늄 플루오라이드를 형성하기 위하여 정화공정 동안 에칭 가스와 반응하고, 알루미늄 플루오라이드는 여전히 정화되지 않은 다른 잔류물 또는 증착물을 포함하는 다양한 챔버 표면에 재증착한다. 이러한 알루미늄 플루오라이드는 매우 느리게 에칭되거나 실제적으로 에칭되지 않으므로(특히 유도성 커플링된 플라즈마에서)그 밑의 선행 종래증착물(예를 들어 실리콘 이산화물)을 차폐한다. 정화공정 동안 알루미늄 플루오라이드의 증착은 남아있는 잔류물(예를 들어, 실리콘 이산화물)의 제거를 막으므로, 반응로 챔버는 챔버 정화공정의 시간을 연장하여도 완전히 정화될 수 없다.
관련 문제점은 일부 챔버 유전체 표면(예를 들면, 석영표면)이, 특히 유도성 커플링된 플라즈마에서 챔버 정화공정동안 빠르게 소모되므로 종종 큰 비용을 들여야 함이 중요한 단점이라는 것이다.
본 발명은, 진공챔버; 진공챔버, 가스 주입구 및 진공펌프 저부 근처의 웨이퍼 유지 받침대; 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 디스크 모양의 천장 전극; 천장전극에 인접한 나선형 코일 안테나; 진공 챔버 둘레와 전체적으로 일치하는 기저부; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부 또는 (c) 부동 전위(즉, 연결되지 않은)중 하나에 코일안테나, 천장 전극 및 웨이퍼 받침대 각각을 연결하는 스위치를 갖는 플라즈마 반응로를 작동하는 방법에 있어서, 웨이퍼 유지 받침대로부터 웨이퍼를 제거하고 가스 주입구를 통해 챔버내로 에칭 가스를 도입하면서 진공펌프로 챔버에서 진공을 생성하고, 진공 챔버에서 주로 용량성 커플링된 플라즈마를 생성하기 위해서 초기에는 코일 안테나에 RF 전압 인가를 억제하면서 천장 전극에 RF 전압을 인가하도록 스위치를 작동하는, 챔버 정화단계를 포함하는 방법으로 실현된다.
본 발명은 또한 진공챔버; 진공챔버, 가스 주입구 및 진공펌프 저부 근처의 웨이퍼 유지 받침대; 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 디스크 모양의 도전성 천장 전극; 천장전극에 인접한 나선형 코일 안테나; 진공 챔버 둘레와 전체적으로 일치하는 기저부; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부 또는 (c) 부동 전위중 하나에 코일 안테나, 천장 전극 및 웨이퍼 받침대 각각을 연결하는 스위치를 갖는 플라즈마 반응로를 작동하는 방법에 있어서, 반응로가 유도성 커플링 모드에서 동작될 때마다, 천장 전극이 접지될 동안 코일 안테나에 RF 전력을 인가하기 위해서 스위치를 작동시키고, 반응로가 용량성 커플링 모드에서 동작할 때마다 천장전극에 RF 전력을 인가하기 위해서 스위치를 작동하고, 반응로가 정화될 때마다 진공챔버에 에칭 가스를 도입하는동안 천장 전극 및 코일 안테나에 RF 전력을 인가함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함하는 방법으로 실현된다.
본 발명은 또한, 진공챔버; 진공챔버, 가스 주입구 및 진공펌프 저부 근처에 웨이퍼 유지 받침대; 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 디스크 모양의 도전성 천장 전극; 천장 전극에 인접한 나선형 코일 안테나; 진공챔버 둘레와 전체적으로 일치하는 기저부; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부 또는 (c) 부동 전위 중 하나에 코일 안테나, 천장 전극 및 웨이퍼 받침대 각각을 연결하는 스위치를 갖는 플라즈마 반응로를 작동하는 방법에 있어서, 천장 전극이 접지되어 있는 동안 코일 안테나에 RF 전력을 인가하기 위해서 스위치를 작동함으로써 유도성 커플링된 플라즈마를 유지시키는 동안 챔버내로 증착 선구 가스(deposition precusor gas)를 도입함으로써 받침위의 웨이퍼 상에서 화학증착을 수행하고, 천장전극에 RF 전력을 인가하기 위해서 스위치를 작동함으로써 챔버에 용량성 커플링된 플라즈마에 유지시키는 동안 챔버내로 선구 정화가스(precusor clearing gas)를 도입함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함하는 방법으로 실현된다.
한 양상에서, 본 발명은 천장의 중앙부의 편평한 전극을 둘러싼 천장의 측부에 반구형 모양의 나선형으로 감겨진 안테나를 갖는 플라즈마 반응로 챔버를 사용한다. 챔버의 저부에서 RF 에너지를 코일 안테나, 천장 전극 및 웨이퍼 받침대에 개별적으로 접속하기 위한 수단이 제공되어 천장 전극, 코일 안테나 및 웨이퍼 받침대 중 하나 또는 조합이 RF 에너지를 수용하거나 또는 접지되거나 또는 연결되지 않을 수 있다(부동). 코일 안테나는 요구하는 플라즈마 유형에 따라 유도성 커플링 또는 용량성 커플링 또는 이들 모두를 제공하고, 천장 전극은 용량성 커플링을 제공하고, 동시에 에너지가 가해질 때, 천장 전극 및 코일 안테나는 함께 반응로 챔버 내부의 플라즈마에 조합된 용량성 및 유도성 커플링을 제공한다. CVD 처리과정 동안, 코일 안테나는 RF 에너지를 수용하여, 천장 전극이 접지되고 RF 바이어스 전압이 웨이퍼 받침대에 적용될 동안 유도성 커플링된 플라즈마를 제공한다. 챔버정화 공정동안, 웨이퍼 받침대가 전기적으로 부동되고(웨이퍼 받침대 및 연합된 하드웨어에의 손상을 피하기 위하여) 코일 안테나가 접지되거나 부동되는 동안 RF 에너지는 용량성 커플링된 플라즈마를 생성하기 위해 천장 전극에 인가된다. 일단 용량성 커플링된 플라즈마가 점화되면, RF 에너지가 코일 안테나에 인가되어 플라즈마가 보다 높은 플라즈마 밀도로 유지될 수 있으며, 따라서 추가의 화합물 및 열을 제공하여 실리콘 이산화물 및 유사성분의 제거를 향상시킨다.
또 하나의 태양에서, RF 전력은 비생산("더미(dummy)")웨이퍼가 받침대에 고정되어 있는 동안, RF전력을 웨이퍼 받침대에 적용하여 용량성 커플링된 플라즈마를 생성한다. 이 태양에서, 상부 전극은 바람직하게 접지되거나 이에 RF 전력이 인가된다. 이 방법은 또한 유도성 커플링된 플라즈마를 사용하여 적용할 수 있다. 천장 전극은 바람직하게 챔버 정화 속도를 증가시키기 위하여 거의 260 내지 270℃의 온도로 가열된다.
용량성 플라즈마는 I) 천장 전극에만 RF 전력을 인가하고, ii) 동시에 천장전극 및 코일에 전력을 인가하고, iii) 동시에 천장 전극, 코일 및 웨이퍼 받침대에 RF 전력을 인가함으로써 점화될 수 있다. 이들 세 개의 상이한 모드는 각각 특이한 장점을 제공한다. 전력을 천장 전극에 인가하는 것은 접지된 표면 및 천장 표면을 빠르게 정화시킨다. 전력을 천장 전극 및 코일 양쪽에 인가하는 것은 향상된 플루오라이드 분리 및 보다 높은 플라즈마 온도 때문에 금속 표면을 빠르게 정화시키면서 유전체 표면의 정화를 향상시킨다. RF 전력을 천장 전극, 코일 및 웨이퍼 받침대에 동시에 인가하는 것은 플라즈마에 추가의 접지 경로(들)를 제공함으로써 금속 챔버 벽 표면의 스퍼터링을 감소시킨다. 따라서, 상기 세 개의 모드(i), (ii), (iii)중 하나의 선택은 챔버내의 증착된 잔류 산화물의 분포에 따라 이루어질 수 있다. "더미" 웨이퍼는 에칭으로부터 받침대 표면을 보호하기 위하여 챔버정화공정 동안 웨이퍼 받침대에 고정될 수 있다. 이것은 상기 모드(iii)에서 작동할 때 특히 바람직하다.
유도성 커플링된 플라즈마 또는 용량성 커플링된 플라즈마 중 어느 하나를 점화하기 위하여 천장 전극을 반드시 접지시킬 필요는 없다.
유도성 커플링된 플라즈마의 경우, RF 전력은 특정 압력 수준(통상적으로 인가되는 RF 전력량에 따라 30 내지 300 밀리토르)을 유지할 동안 코일에 인가되어 플라즈마를 점화시킨다. 일단 플라즈마가 점화되면, 압력은 플라즈마를 유지하기 위해 30 밀리토르 미만으로 줄일 수 있다.
[반응로 구조의 설명]
제1도를 참조하여, 바람직한 실시예의 플라즈마 반응로는 진공 챔버(10), 진공펌프(12), 및 분사 노즐(14)을 지지하는 금속 하우징(housing)(18)안의 가스공급링 매니폴드(gas supply ring manifold)(16)에 연결된 가스 분사 노즐(14)을 가진다. 챔버(10)는 편평한 디스크(24)를 둘러싸는 부분 돔형 또는 반구형의 환상부(22)로 구성된 천장(20)을 가진다. 돔형의 환상부(22)는 석영이나 세라믹 같은 절연체이다. 돔형의 환상부(22)는 나선형으로 감겨진 RF 안테나(26)를 지지하고, RF 안테나의 한쪽 끝은 스위치(30)에 의해 축전기를 통해 접지가능하고 RF 안테나의 다른쪽 끝은 스위치(34)를 통해 RF 전원(32)에 연결가능하다. 길이를 포함하여, 나선형으로 감겨진 RF 안테나(26)의 세부적인 구조는 페어베른 및 노워크의 상기 언급된 미합중국 특허출원에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 예를 들면, RF 전원(32)은 RF 발전기 및 통상적인 RF 매칭(matching) 회로망(도시되지 않음)을 포함한다.
천장(24)은 스위치(38)를 통해 RF 전원(36)에 연결가능하거나 또는 접지가능 한 전도체이다. 챔버의 저부(10)는 폴리실리콘 또는 알루미늄으로 도핑될 수 있는 제거가능한 접지된 도전성 저부 환상 고리 또는 라이너(linear), 및 반도체 웨이퍼(45)를 고정하기 위한 웨이퍼 받침대(44)를 포함한다. 바람직하게는 웨이퍼(45)의 상부 표면과 동일 평면상의 유전체 환상부(44a)는 받침대(44)위의 웨이퍼(45)를 둘러싼다. 웨이퍼 받침대(44)는 정전기 척(chuck), 냉각 유체 채널, 및 본 발명에 중요하지 않은 다른 일반적인 특징을 포함할 수도 있다. 도전성 환형 고리(40)는 천장전극(24)과 거의 동일한 표면적의 챔버 내부를 향하는 볼록형상의 내부 표면(40a)을 갖는다. 이러한 특징은 용량성 방전을 용이하게 하고 플라즈마 쪽으로 챔버 저부 접지표면을 노출시킨다. 결과적으로, RF 전원이 천장 전극(24)에 인가되고 환형 고리(40)가 접지될 때, 이들 둘은 거의 같은 속도로 에칭되며, 이는 중요한 장점이다. 제거 가능한 고리 환형 라이너(40)는 주기적인 유지 및 챔버 저부 정화에 유리하다.
본원에서 전술한 대로, 편평한 천장 전극(콜린 등의 앞서 참조된 유럽출원에서 예시된 유형같이)은 불균일하게 오염물질(예를 들면 실리콘 이산화물)이 축적되는 경향이 있다. 편평한 천장을 가진 에칭 반응로의 경우에, 증착물은 바이어스되지 않은 저온의 표면(즉 천장 전극의 바깥 가장자리)에 더 많이 증착되기 쉬운 중합체로 주로 구성된다. 편평한 천장을 가진 CVD 반응로의 경우에, 대부분의 산화 증착물은 웨이퍼를 가로질러 천정 전극의 중앙에 위치된다. 이것은 웨이퍼 받침대의 RF 바이어스에 의해 유도된 증착 과정의 스퍼터링 성분 때문이다. 결과적으로, CVD 반응로에서, 천장 전극의 바깥 부분은 플라즈마 방전 모드에 상관없이 챔버가 정화되는 동안 초기에 정화된다. 이런 문제를 극복하기 위하여, 본 발명의 반응로(제1도)의 천장 전극(24)을 측벽의 지름보다 작은 크기로 감소시킴으로써(그러나 바람직하게는 웨이퍼 받침대(44)보다는 약간 큰), 천장 전극의 일부가 제거되면 축적되는 잔류물의 두께가 얇아지고 에칭되거나 오버클리닝(overcleaning) 된다.
관련 이점은 저부 알루미늄 라니어(40) 및 석영 돔형 환상부(22)의 완만하게 오목한 표면은 챔버 정화작용동안 달리 정화되기에 어려울 수 있는 챔버내부에서 날카로운 모서리를 제거한다는 것이다.
바람직하게, 챔버(10)의 물질은 챔버 정화작용동안 달리 알루미늄 플루오라이드의 형성에 기여할 수 있는 금속 표면은 제거하거나 최소화하도록 선택된다. 특히, 천장 전극(24) 및 저부 환형 고리(40)는 둘다 실리콘일 수 있는데, 예를 들면, 폴리실리콘은 센티미터당 약 0.2 오옴 미만의 저항성으로 도핑된다. 폴리 실리콘의 유리한 점은, 챔버 정화(에칭) 공정동안 제거되는 실리콘이 휘발성이어서 챔버(10)로부터 쉽게 제거된다는 것이다. 챔버 정화공정 동안 알루미늄 플루오라이드를 형성하는 가능성을 더욱 줄이기 위하여, 가스 주입 노즐(14)은 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄 같은 세라믹 물질이다. 게다가, 석영, 폴리실리콘, 실리콘 또는 세라믹으로 된 스커트(46)는 금속체(18)를 감싼다. 게다가 금속체(18)는 챔버 정화 공정동안 아킹(arcing)의 가능성을 줄이기 위하여 접지된다. 따라서, 바람직한 태양에서 챔부 내부에 노출된 금속 표면을 실제적으로 없다. 웨이퍼 받침대(44)는 챔버 정화공정동안 거의 에칭(또는 알루미늄 플루오라이드의 형성)이 일어나지 않도록 챔버정화 공정동안 바람직하게는 어떠한 전위에도 연결되지 않는다(즉, 전기적으로 부동임).
웨이퍼 받침대(44)는 스위치(52)에 의해 접지가능하거나, RF 원(50)에 연결가능하거나, 또는 전기적으로 절연될 수 있다.
제1도의 반응로의 한가지 장점은 천장 전극(24)이 챔버(10)중에 고압 용량성 커플링된 플라즈마를 생성함과 동시에 또는 그 후에 코일 안테나(26)에 에너지를 가할 수 있다는 것이다. 이런 점에서 코일 안테나(26)에 에너지를 가하는 것의 유리한 점은 용량성 커플링된 플라즈마를 유지하는 효과적인 수단을 제공하고 석영환상부(22)로부터 잔류물을 에칭하기 위해서 석영 환상부(22) 근처의 플라즈마에 일정량의 유도성 및/또는 용량성 커플링을 제공하는 것이다. 이 커플링 모드는 순수한 저압의 유도성 커플링된 플라즈마 모드보다 작은 비율을 환상부(22)의 석영물질을 에칭시키는 것이 중요한 장점이다. 게다가, 코일 안테나(26)에 의해 제공된 유도성 커플링은 챔버(10)에서 추가의 열을 생성한다. 고온은 챔버(10)에서 천장 전극(24) 및 다른 위치로부터 실리콘을 이산화물의 제거를 크게 증진시킨다. 천장 전극(24)을 감싸는 뚜껑(56)은 제1도에서 도시된 것처럼 챔버의 내부 도처에 작동하는 냉각 재킷(cooling jacket)(58)을 갖기 때문에 천장 자체를 열원보다는 방열체로서 작용함을 주목해야 한다. 그러나 천장 전극의 정화 속도는, 예를 들어, 천장 전극의 온도를 260 내지 270℃로 상승시키기 위하여 저항성 가열기(60) 같은 외부의 열원을 사용함으로써 가속화할 수 있다.
제1도 반응로의 한가지 바람직한 수행방법에서, 석영 환상부(22)의 내부 표면(22)의 곡률 반지름(R1)은 325cm(13")이고, 저부 링(40)의 내부 표면 곡률 반지름은 250cm(9.5"-10")이고, 천장전극(24)의 지름(D)은 225cm(9")이고, 웨이퍼 받침대(44)의 지름은 200cm(8")이고, 받침대(44)로부터의 천장 전극(24)의 높이는 112cm(4.5")이다. 그러나, 본 발명은 어떤 특정 설계에 제한되지는 않는다.
[반응로의 작동방법]
다른 면에서, 본 발명은 제1도의 다중모드 커플링된 플라즈마 반응로를 사용하는 특정 방법에 의해 실현된다. 기본적으로, 제1도의 플라즈마 반응로는 압력, 화학작용 및 인가된 RF 전력량에 따라, 3개의 가능한 플라즈마 커플링 모드, 즉(1) 주로 유도성 커플링된 플라즈마, (2) 주로 용량성 커플링된 플라즈마, 및 (3) 동시에 유도성 및 용량성 커플링된 것의 혼합물을 갖는다.
받침대(44)에 고정된 웨이퍼에, 예를 들어, 실리콘 이산화물의 화학증착을 수행하기 위하여, 반응로는 유도성 커플링된 플라즈마를 제공하도록 제1모드에서 작동된다. 실란 같은 실리콘 선구 가스는 주입 노즐(14)을 사용하여 산소-포함 가스와 함께 챔버(10) 내로 도입된다. 폄프 밸브(12a)는 100 밀리토르 이하오 챔버 압력을 유지하도록 위치된다. 천장 전극(24)은 300KHz 내지 14MHz(바람직하게는 2.0MHz)에서 1000 내지 5000 와트의 RF 에너지가 RF 원(32)으로부터 코일 안테나(26)에 인가되는 동안 접지된다. 콜린 등의 상기 참조된 출원 및 페어베른 및 노워크의 상기 참조된 출원에 개시된 기술에 따라, 웨이퍼 받침대는 접지되거나 부동화될 수 있거나, 또는 RF 원(50)으로부터 RF 바이어스 전압이 받침대에 인가되어 받침대(44)에 고정된 반도체 웨이퍼(45)에 적당한 플라즈마 시이드(sheath) 전압이 발생될 수 있다. 일부 경우에, 유도성 커플링된 플라즈마를 형성하기 위하여 천장전극을 접지하는 것이 필요하지 않을 수 있다.
8인치 지름의 웨이퍼(예를 들어, 25 내지 30 리터들이)를 고정할 수 있는 용적의 챔버에 대하여 챔버 정화작용을 수행하기 위하여, 챔버 압력은 분당 0.5 내지 3리터의 플루오라이드-포함 가스(예를 들어, NF3, CF4, C2F6등) 및 산소가 챔버(10)로 펌핑되는 동안 0.5 내지 5 토르로 설정된다. 웨이퍼 받침대는 연결되지 않고 스위치(52)에 의해 전기적으로 부동화되며, 코일 안테나는 300KHz 내지 14MHz(바람직하게는 1.8MHz)에서 1000 내지 5000 와트의 RF 에너지가 스위치(38)를 통해 RF 원(36)에 의하여 천장 전극에 인가될 동안 초기에는 연결되지 않거나 또는 스위치(30, 34)에 의해 접지된다. 일단 플라즈마가 생성되면, 코일 안테나(26)는 다음 3가지 목적을 위하여 스위치(34)에 의해 RF 원(32)에 연결될 수 있다: (1) 코일 안테나(26)에 의해 제공된 용량성 커플링의 소형 부품은 이미 생성된 용량성 커플링된 플라즈마를 효과적으로 유지하고, (2) 석영 환상부(22)에 코일 안테나(26)가 근접함으로써 환상부(22)로부터 잔류물 또는 증착물을 에칭 또는 정화할 수 있으며, (3) 코일 안테나(26)의 유도성 커플링은 챔버(10)에서 열을 생성하고, 이것은 내부 챔버 표면으로부터 받침대 주변의 천장 전극(24) 및 석영물질 같은 산화 실리콘 잔류물의 제거를 용이하게 한다.
순수한 용량성 커플링 공정과 함께 스퍼터링 또는 에칭 공정을 수행하기 위하여, 반응로는 코일 안테나가 연결되지 않거나 접지되어 있는 경우를 제외하고는 전술한 것처럼 작동시킨다. 용량성 커플링 모드는 50 볼트 정도의 플라즈마 시이드(sheath) 전압을 특징으로 하기 때문에 훨씬 더 빠른 에칭 속도를 제공하는 반면, 유도성 커플링 모드는 단지 5 볼트 정도의 플라즈마 시이드 전압을 특징으로 한다.
상기한 챔버 정화공정에 따라, 흡착된 불소 원자는 챔버 내부로부터 제거해야 한다. 이를 위하여, 수소 가스(또는 실란 같은 수소-포함 가스)가 NF3가스를 대신하는 경우를 제외하고는, 수소-포함 플라즈마는 챔버 정화공정과 관련하여 기술한 것과 동일한 방식으로 챔버(10)에서 생성된다.
용량성 방전 모드는 정화하고나 하는 표면 근처에서 시트를 가로질러 고전압이 강하하기 때문에 챔버 정화작용에 있어 더 유리하다. 이로 인해 표면에서 충돌하는 이온의 보다 높은 에너지가 생기므로써 산화 실리콘 결합이 쉽게 파괴된다. 그러나, 반응로는 용량성 또는 유도성 커플링으로 정화될 수 있다. 반응로의 다른 구역에서의 정화 속도의 조화는 적당한 정화방법 선택에 의해 이루어질 수 있다. 사실상, 유도성 모드 플라즈마 정화 단계에 이어 용량성 모든 플라즈마 정화 단계로 구성된 2단계 정화 공정을 사용한다. 선택적으로, 이 두 단계의 순서는 바뀔수도 있다.
용량성 정화 모드에서 압력은 챔버 벽의 과도한 스퍼터링을 방지하기 위하여 비교적 높아야만 한다(0.5 토르보다 큼). 낮은 압력에서, 플라즈마 커플링은 주로 유도성이며 최소의 벽면 바이어스 전압이 생긴다. 그러나, 유도성 방전 모드는 일반적으로 높은 플라즈마 온도를 수반한다. 용량성 커플링된 플라즈마는 전극 정화에 매우 효율적이다. 위에서 기술된 일반적으로 용량성 커플링된 플라즈마의 유도성 증진으로 인해 용량성 방전에 의해 직접 바이어스되지 않은 돔형의 석영 및 챔버의 다른 구역이 정화된다.
웨이퍼 받침대는 바이어스, 접지 또는 부동상태가 될 수 있다. 이는 잔류물을 받침대로부터 제거하거나, 또는 선택적으로 오버클리닝 및 손상으로부터 받침대를 보호하기 위하여 받침대의 전위를 제어할 수 있는 것이 유리하다.
위에서 기술된 챔버 정화 공정의 중요한 이점은 주어진 반응로 온도에서 정화공정이 페어베른 및 노워크의 상기 참조된 출원에 기술된 유형의 유도성 커플링 된 고밀도 플라즈마 반응로를 위한 정화공정보다 5 내지 10배 빠르다는 것이다.
지금까지 본 발명을 별도의 RF 원이 천장 전극(24) 및 코일 안테나(26)에 장착된 바람직한 태양에 관하여 기술하였지만, 코일 안테나 및 천장 전극은 양쪽이 동시에 RF 에너지를 수용해야될 때에는 공통의 RF 원에 함께 연결될 수 있다.
제1도의 반응로는 사용하는 다른 방법도 유용하다. 천장 전극(24) 및 코일 안테나(26)에 인가된 RF 전력의 비를 조절하여, 제1도의 반응로는 10 밀리토르미만에서 15 토르까지 넓은 압력 범위에서 작동할 수 있으며, 저압은 주로 유도성 커플링에 유리하고, 고압은 주로 용량성 커플링된 플라즈마에 유리하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 태양을 참조하여 상세히 기술하였지만, 본 발명의 요지 및 범위내에서 변화 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims (23)

  1. 진공챔버; 상기 진공챔버, 가스 주입구, 및 진공펌프의 저부 근처에 웨이퍼를 지지할 수 있는 웨이퍼 유지 받침대; 상기 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 도전성 천장 전극; 상기 천장 전극과 상기 웨이퍼 유지 받침대 사이의 공간 주위에 인접하여 위치된 코일 안테나; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부, (c) 부동 전위 중 하나 이상에 상기 코일 안테나, 상기 천장 전극 및 상기 웨이퍼 받침대 각각을 개별적으로 연결하기 위한 스위치를 갖는 플라즈마 반응로의 작동방법에 있어서, 에칭 가스를 상기 가스 주입구를 통해 챔버안으로 도입하면서 상기 진공 펌프로 챔버에 진공을 생성시키는 단계; 및 상기 스위치를 작동시켜 상기 천장 전극에 RF 에너지를 인가하는 단계를 포함하는 챔버 정화(cleaning) 공정을 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치 작동단계가, 상기 진공 챔버에서 주로 용량성 커플링된 플라즈마를 점화하기 위해서, 적어도 초기에 상기 웨이퍼 받침대에 RF 에너지를 인가하는 것을 억제할 동안 수행되는 플라즈마 반응로 작동방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마가 생성된 후에 RF 에너지를 상기 코일 안테나에 인가하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 억제단계가, 상기 웨이퍼 받침대의 전기적 전위를 부동하도록 상기 웨이퍼 받침대를 전기적으로 절연시키는 단계를 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 진공이 약 0.5 내지 10 토르의 범위인 플라즈마 반응로 작동방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 RF 에너지가 약 300KHz 내지 14MHz 의 주파수에서 약 1000 내지 3000 와트의 전력량을 특징으로 하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에칭가스가 질소 플루오라이드, 실리콘 플루오라이드 및 탄소 플루오라이드를 포함하는 에칭가스의 종류이고, 상기 챔버내로의 상기 에칭가스의 유량이 분당이 약 0.5 내지 3 리터인 플라즈마 반응로 작동방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 코일 안테나에 인가된 RF 에너지가 약 1000 내지 5000 와트 정도의 전력량 및 약 300KHz 내지 14MHz 의 주파수를 특징으로 하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 챔버로부터 상기 에칭가스를 제거하고 수소 플라즈마를 형성하기 위해서 챔버내로 수소-포함 가스를 도입하여, 상기 챔버에서 불소 잔류물을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 챔버로부터 에칭가스를 제거하고 처리할 웨이퍼를 상기 웨이퍼 받침대로 위치시키는 단계; 선택된 처리 진공 수준으로 진공을 변화시킬 동안 상기 진공챔버로 적어도 선택된 처리가스를 도입하는 단계; 상기 천장전극을 접지하고, RF 에너지를 상기 코일 안테나에 인가하고, 유도성 커플링된 플라즈마를 형성하기 위해서 웨이퍼 받침대에 바이어스 전압을 가하도록 스위치를 작동하는 단계를 포함하는, 상기 챔버 정화공정의 완성시에 수행되는 웨이퍼 처리공정을 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 웨이퍼 처리공정이 화학증착 처리를 포함하고 상기 선택된 처리가스가 상기 웨이퍼에 증착하고자 하는 물질의 선구가스인 플라즈마 반응로 작동방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 선택된 처리 진공 수준이 약 100 밀리토르 이하 정도인 플라즈마 반응로 작동방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 코일 안테나에 인가된 RF 에너지가 약 300KHz 내지 14MHz의 주파수에서 약 1000 내지 5000 와트의 전력량을 특징으로 하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 챔버로부터 에칭가스를 제거하고 처리할 웨이퍼를 웨이퍼 받침대로 위치시키는 단계; 선택된 처리 진공수준으로 진공을 변화시킬 동안 상기 진공 챔버로 적어도 선택된 처리가스를 도입하는 단계; 상기 코일 안테나에 접지하고, RF 에너지를 상기 천장 전극에 인가하고 유도성 커플링된 플라즈마를 형성하기 위해서 웨이퍼 받침대에 바이어스 전압을 가하도록 스위치를 작동하는 단계를 포함하는, 상기 챔버 정화공정의 완성시에 수행되는 웨이퍼 처리 공정을 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 선택된 처리 진공수준이 약 0.5 내지 10 토르의 범위인 플라즈마 반응로 작동방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 천정 전극에 인가된 RF 에너지가 300KHz 내지 14MHz 의 주파수에서 약 1000 내지 3000 와트의 전력량을 특징으로 하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  17. 진공챔버; 상기 진공챔버, 가스 주입구 및 진공펌프 저부 근처의 웨이퍼 유지 받침대; 상기 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 디스크 모양의 도전성 천장 전극; 상기 천장 전극과 상기 웨이퍼 유지 받침대 사이의 공간 주위에 감겨진 코일 안테나; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부, (c) 부동전위 중 하나 이상에 상기 코일 안테나, 상기 천장 전극 및 웨이퍼 받침대 각각을 개별적으로 연결하기 위한 스위치를 갖는 플라즈마 반응로의 작동방법에 있어서, 상기 방법이, 상기 반응로를 유도성 커플링 모드에서 작동시키고자 하는 경우에는, 천장전극이 접지될 동안 코일 안테나에 RF 전력을 인가하도록 상기 스위치를 작동시키는 단계; 및 상기 반응로를 용량성 커플링 모드에 작동시키고자 하는 경우에는, 상기 천장 전극에 RF 전력을 인가하도록 상기 스위치를 작동시키는 단계; 및 상기 반응로를 정화하고자 하는 경우에는, 에칭가스를 진공챔버에 도입할 동안 상기 천장전극 및 상기 코일 안테나에 RF 전력을 인가함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  18. 제17항에 있어서, 정화단계 동안 상기 받침대가 에칭되지 않도록 보호하기 위해서 상기 웨이퍼 유지 받침대의 전위를 부동시키는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 받침대 근처의 증착물 제거를 향상시키고자 상기 웨이퍼 유지 받침대에 전위를 인가하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 작동방법.
  20. 진공챔버; 상기 진공챔버, 가스 주입구 및 진공펌프 저부 근처의 웨이퍼 유지 받침대; 상기 챔버의 상부에 있는 전체적으로 편평한 판 모양의 도전성 천장전극; 상기 천장전극과 상기 웨이퍼 유지 받침대 사이의 공간 주위에 위치된 코일 안테나; 및 (a) 각각의 RF 전원, (b) 접지부, (c) 부동전위 중 하나 이상에 상기 코일 안테나, 천장전극 및 웨이퍼 받침대 각각을 개별적으로 연결하기 위한 스위치를 갖는 플라즈마 화학증착 반응로 작동방법에 있어서, 상기 방법이, 상기 천장 전극이 접지될 동안 코일 안테나에 RF 전력을 인가하도록 스위치를 작동함으로써 유도성 커플링된 플라즈마를 유지하는 동안, 챔버에 증착 선구가스를 도입함으로써 상기 받침대의 웨이퍼상에 화학증착을 수행하는 단계; 및 상기 천장전극에 RF 전력을 인가하도록 스위치를 작동함으로써 챔버에 용량성 커플링된 플라즈마를 유지하는 동안, 챔버내로 선구 정화가스를 도입함으로써 반응로를 정화하는 단계를 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 정화단계가 상기 코일 안테나에 RF 전력을 인가하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 정화단계 동안 받침대를 에칭되지 않도록 보호하기 위해서 웨이퍼 유지 받침대의 전위를 부동시키는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 받침대 근처의 증착물 제거를 향상시키고자 상기 웨이퍼 유지 받침대에 전위를 인가하는 단계를 추가로 포함하는 플라즈마 반응로 작동방법.
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